Липиды и углеводы. Классификация. Химический состав и функции мембран

1. Семинар 3.

Структура и биологическая роль
липидов и углеводов. Классификация.
Химический состав и функции
мембран.

2. Строение, свойства, биологическая роль углеводов

2

3. Углеводы (карбогидраты)

Органические
соединения,
содержание
альдегидную или кетонную группу и несколько
спиртовых гидроксилов. Общая формула
(CH2O)n, некоторые содержат N, S, P.
Менее употребительное название глициды —в
современной литературе не используются.
Сахариды – от греч sarcharon – означает сахар.

4.

К углеводам относятся соединения, обладающие
разнообразными
и
часто
различными
свойствами. Среди них есть вещества:
- низкомолекулярные и высокомолекулярные,
- кристаллические и аморфные,
- растворимые и не растворимые в воде,
- гидролизуемые и негидролизуемые,
- способные легко окислятся и сравнительно
устойчивые к действию окислителей …
Это многообразие с химической природой и
строением их молекул.

5.

Функции углеводов
Канонические:
- структурная (целлюлоза)
- энергетическая (окисление приводит к выделению
энергии - глюкоза)
- метаболическая (промежуточные продукты окисления
используются для синтеза других органических
соединений, из гицеральдегида синтезируется глицерин, ПВК - аланин)
Неканонические функции выполняют углеводы,
имеющие уникальное строение специфичность:
- обеспечивают
специфичность
взаимодействия
(групповые вещества крови);
- рецепторные функции (гликопротеины и гликолипиды мембран);
- защитную функцию (в составе иммуноглобулинов).

6.

7.

Классификация
Простые (моносахариды - D-глюкоза, Dфруктоза…);
Сложные:
- олигосахариды (лактоза, мальтоза, сахароза);
- Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза,
хитин).
Гликоконъюгаты (протеогликаны,
гликопротеины, гликолипиды)

8.

Моносахариды

9.

Проекционная формула Фишера

10.

11.

12.

Эпимеры

13. Пиранозы и фуранозы

14. Многообразие моносахаридов

15.

16.

17.

Структурные различия между
полисахаридами определяются:
• строением моносахаридов,
составляющих цепь;
• типом гликозидных связей, соединяющих
мономеры в цепи;
• последовательностью остатков
моносахаридов в цепи.

18.

19.

20.

Цепи полисахаридов

21.

Ветвление полисахаридов

22.

23.

Спираль
ная
конформация
молекулы
амилозы
(А)

24.

точки приложения действия α-амилазы при гидролизе (Б)
структура адсорбционного комплекса между
спирализованными участками крахмала и молекулами йода (В)

25.

АМИЛОЗА
АМИЛОПЕКТИН
ГЛИКОГЕН

26.

27.

28. Образование водородных связей в молекуле целлюлозы

29. Хитин

30.

31.

32.

Гликозаминогликаны
— это внеклеточные
гетерополисахариды, в которых одной из двух
моносахаридных единиц является уроновая кислота,
а второй — N-ацетилированный аминосахар.
Некоторые гидроксильные группы этих полимеров и
аминогруппы некоторых остатков глюкозамина
сульфатированы, что придает им большой
отрицательный заряд и заставляет принимать
развернутую koнформацию.
Подобные полимеры (гиалуронат,
хондроитинсульфат, лерматансульфат,
кератансульфат и гепарин) обеспечивают вязкость,
адгезивность и прочность внеклеточного матрикса.

33. Гликозаминогликаны

34. Хондроитин-4-сульфат

Гликозаминогликаны
Хондроитин-4-сульфат

35. Кератансульфат

Гликозаминогликаны

36.

37.

38.

Протеогликаны — это макромолекулы,
находящиеся на поверхности клеток или во
внеклеточном матриксе, в которых одна или
несколько цепей гликозаминогликанов связаны
ковалентной связью с мембранным или
секретируемым белком.
Цепь гликозаминогликана может прикрепляться
к внеклеточным белкам за счет
электростатических взаимодействий с
отрицательно заряженными группами
полисахарида.
Протеогликаны — основной компонент
внеклеточного вещества.

39.

Гликопротеины представляют собой белки, связанные
ковалентной связью с одним или несколькими
олигосахаридами разной сложности.
Эти вещества обычно обнаруживаются на внешней
поверхности плазматической мембраны, во внеклеточном
матриксе и в крови. Внутри клеток они встречаются в таких
органеллах, как аппарат Гольджи, секреторные гранулы и
лизосомы. Олигосахариды в составе молекул
гликоиротеинов более разнообразны, чем
гликозаминогликаны в составе протеогликанов.
Олигосахариды гликоиротеинов несут в себе много
информации, образуют высокоспецифичные сайты
узнавания и высокоаффинные центры связывания в белках,
связанных с углеводами, которые называют лектинами.
Некоторые белки ядра и цитоплазмы тоже могут быть
гликозилированы.

40.

Гликолипиды — мембранные сфинголипиды,
гидрофильная «головка» которых образована
олигосахаридами, служащими, как и в случае
гликопротеинов, в качестве специфических
участков узнавания лектинов. Гликолипидов
много в мозге и нервной ткани, где они
участвуют в проведении нервного импульса и
образовании миелиновой оболочки. Кроме того,
гликолипиды задействованы в передаче
клеточных сигналов.

41.

Структура протеогликана. Типичный
трисахарид (выделен голубым цветом)
соединяет гликозаминогликан (в данном случае
хондроитинсульфат, выделен оранжевым
цветом) с остатком серина (розовый) в коровом
белке. Остаток ксилозы на восстанавливающем
конце этой линкерной последовательности
своим аномерным атомом присоединен к
гидроксильной группе остатка Ser.

42.

43.

Агрегаты
протеогликанов во
внеклеточном
матриксе.
Схематичный
рисунок
протеогликана с
множеством
молекул аггрекана.

44.

45.

Лектины — белки со специфическими
углевод-связывающими участками —
обычно располагаются на внешней
поверхности клетки, где инициируют
взаимодействия с другими клетками.
Лектины позвоночных по
олигосахаридным «ярлыкам» узнают
некоторые пептидные гормоны,
циркулирующие белки плазмы и клетки
крови и регулируют их уничтожение.

46.

47.

■ Прикрепление патогенных вирусов, бактерий и
некоторых эукариотических паразитов к клеткам
организма-хозяина происходит через связывание
лектинов на клетках патогенов с олигосахаридами на
поверхности клеток хозяина.
■ Внутриклеточные лектины участвуют в доставке
внутриклеточных белков к определенным органеллам
или к месту их секреции.
■ Рентгеноструктурный анализ позволил детально
изучить комплексы лектинов с сахарами и установить
комплементарность этих молекул, объясняющую
прочность и специфичность их взаимодействий.

48. Строение, свойства, биологическая роль липидов

48

49.

Липиды – нерастворимые в воде органические
вещества, которые могут содержаться в живых
клетках и могут быть экстрагированы из них
неполярными растворителями (хлороформ,
эфир, бензол). Все настоящие липиды – это
сложные эфиры жирных кислот и какого-либо
спирта.

50.

Сложный эфир – продукт реакции
между кислотой и спиртом
Этерификация
Кислота + Спирт
СН3СООН + С2Н5ОН
Уксусная Этиловый
Кислота
спирт
Сложный эфир + Вода
СН3СООС2Н5 + Н2О
Этилацетат
– СОО – это сложноэфирная связь.
50

51.

Липиды
Неомыляемые
1. Высшие жирные
кислоты (С12-С22),
высшие жирные
спирты и альдегиды с
n до 60;
2. Эйказаноиды –
производные
арахидоновой
кислоты;
3. Олиго- и полимеры
изопентена, включая
терпены, стероиды,
латексы и т.д.
Омыляемые
Сложные
Простые
1. Ацилглицерины;
2. Нейтральные
диольные липиды;
3. Нейтральные
плазмалогены;
4. Воска.
1. Фосфолипиды
(глицерофосфолипиды и
сфингофосфолипиды);
2. Гликолипиды

52.

Биологическая роль липидов
1. Структурная
функция
(обязательные
компоненты
биологических мембран - фосфолипиды);
2. Энергетическая функция (эффективный источник энергии в
клетке - триацилглицериды);
3. Служат формой, в которой транспортируется это топливо
(хиломикрон);
4. Выполняют защитную функцию (в клеточных стенках
бактерий, в листьях высших растений, в коже
позвоночных);
5. Некоторые вещества, относимые к липидам, обладают
высокой биологической активностью – это витамины и их
предшественники
(А,Е,D),
некоторые
гормоны
(эйказаноиды).
52

53.

Высшие жирные кислоты (ВЖК)
СООН
СН
СООН
СН 2
СН 2
СН 2
СН 2
СН 2
СН
СН
СН
СН
СН
СН
СН
СН
2
Пальмитиновая
кислота
2
2
2
2
2
2
2
2
Олеиновая
кислота
СН
СН 2
СН 2
СН
СН 2
СН 2
СН 2
СН 2
СН 2
СН 2
СН 2
СН 2
СН 3
СН
СН
СН
СН
2
2
2
3
53

54.

Структура ВЖК (по H. Lodish et al., 2004, с
изменениями).
Пальмитиновая кислота
Линоленовая кислота
Олеиновая кислота
54

55.

Высшие жирные кислоты

56.

Насыщенные и ненасыщенные
жирные кислоты

57.

Триацилглицеролы

58.

Нейтральные липиды
Н
Н
О
Н
С
ОН
Н
С
О
Н
С
ОН
Н
С
ОН
Н
С
ОН
Н
С
ОН
Н
Глицерол
С
Н
1-моноацилглицерин
Н
R
О
Н
С
О
С
О
R1
Н
С
О
С
О
R2
Н
С
О
С
R3
Н
Триацилглицерин
Ацилглицерины составляют главный компонент жиров,
запасаемых в растительных и животных клетках . В зависимости
от входящих ЖК – масло или жир.

59.

60.

Для характеристики триацилглицеролов используют 3
жирных числа - кислотное, йодное и число омыления.
1. Кислотное число - количество КОН (мг), необходимое
для нейтрализации свободных жирных кислот,
содержащихся в 1г жира.
2. Йодное число - количество йода (г), связанного 100 г
жира. Присоединение J происходит по месту двойных
связей в
ненасыщенных жирных кислотах. Это число
характеризует содержание ненасыщенных жирных кислот
в жирах.
3. Число омыления - это количество КОН (мг),
необходимого для нейтрализации всех жирных кислот,
водящих в состав 1 г нейтральных жиров.

61.

Нейтральные диольные липиды
СН2ОН
СН2ОН
СН2ОН
СНОН
СН2
Этандиол
(этиленгликоль)
1,2-пропандиол
О
СН2О С
(СН2)7СН3
СН2ОН
Моноолеатэтиленгликоля

62.

Нейтральные плазмалогены
Н
С С
О
СНО С R2
О
СН2О
С R3
СН2О
R1
Плазмоген
(R1 – ненасыщенный алифатический спирт, R2, R3 – жирные кислоты)
Содержатся в молочном жире, в желтке яйца, в головном и спинном мозге,
сердце млекопитающих.
62

63.

Воска
Воска образуют защитную
смазку на коже, шерсти и
перьях, покрывают
листья и плоды высших
растений, а также кутикулу
наружного наружного
скелета у многих насекомых.
O
||
СН3(СН2)n – С – О – СН2 (СН2)m СН3
63

64.

Стероиды
CH3
HC–CH3
CH2
12
11
2
3
9
1
4
10
5
6
13
14
CH2
Холестерин
17
16
15
CH2
HC–CH3
8
CH3
7
CH3
Циклопентапергидрофенантрен
2
3
HO
1
4
10
5
11
9
12
8
6 7
13
14
17
16
15

65. Холевая кислота – желчная кислота

Стероиды
Холевая кислота –
желчная кислота
Тестостерон –
мужской половой
гормон

66.

Терпены
CH3
|
Н2С=С—СН=СН2
Изопрен

67.

Сложные липиды
Глицерофосфолипиды
в качестве структурной
основы содержат
трехатомный спирт глицерол.
При гидролизе
глицерофосфолипидов кроме
спирта глицерола
обнаруживают две жирные
кислоты, фосфорную
кислоту и различные
заместители

68.

Фосфатидилхолин
Фосфатидилхолин (лецитин) в своем составе содержит
аминоспирт холин. Фосфатидилхолины широко
распространены в клетках, особенно их много в
мозговой ткани человека и животных,
в растениях они встречаются в соевых бобах,
зародышах пшеницы, семенах подсолнечника.

69.

Фосфатидилэтаноламин
Фосфатидилэтаноламин (кефалин) содержит этаноламин, который
присоединяется к остатку фосфорной кислоты эфирной связью.
Фосфатидилэтаноламины, так же как и фосфатидилхолины, являются
главными липидными компонентами, формирующими билипидный матрикс
биологических мембран.

70.

Кардиолипин
Кардиолипины можно
рассматривать как
производное
фосфатидилглицеролов,
у которых
3-гидроксигруппа
второго остатка
молекулы глицерола
этерифицирована
молекулой фосфатидной
кислоты.

71.

Плазматическая мембрана

72.

Образование лизофосфолипидов
Под действием фосфолипазы А2
глицерофосфоипиды теряют остаток
жирной кислоты у второго атома
углерода спирта глицерола
с образованием лизофосфолипида.

73.

Сфинголипиды (много в нервной ткани, особенно в мозге)
не содержат глицерина, в их молекуле имеются 2 длинные
углеводородные цепи, одна из которых - остаток жирной
кислоты, другая – остаток сфингозина, кроме того в
молекуле имеется фосфорная кислота и азотистое
основание (холин, этаноламин и др.). Сфинголипид,
имеющий в своем составе холин, называется
сфингомиелином.
Церамид
Сфингозин
ВЖК
Фосфорная кислота
Холин

74.

Сфингозин
Сфинголипиды являются производными 18-атомного,
ненасыщенного дигидроксиаминоспирта – сфингозина
или его насыщенного аналога – дигидросфингозина.

75.

Сфингомиелины
Это наиболее распространенные сфинголипиды.
В основном они находятся в мембранах животных и растительных клеток.
Особенно богата ими нервная ткань. Сфингомиелины обнаружены также в
ткани почек, печени и других органов.

76.

Церамиды
Гликолипиды – ещё одна большая и разнообразная группа
сложных липидов, основу которых составляют церамиды, где водород
их гидроксильной группы замещен на разные углеводные фрагменты.
Если углеводный компонент представлен галактозой, то церамид
будет называться цереброзидом.

77.

Ганглиозид Gm2
Наиболее сложные по составу липиды – это ганглиозиды.
В их состав кроме нескольких углеводных остатков входит
N-ацетилнейраминовая кислота.

78.

Гематозид (ганглиозид)